Αερολίπανση, αεροέδρανα, και τεχνολογικές εφαρμογές

Η αερολίπανση είναι μια τεχνική χάρη στην οποία αντικαθίσταται το λιπαντικό έλαιο από ατμοσφαιρικό αέρα, αποφέροντας σημαντικά οφέλη τόσο για το σχεδιασμό των μηχανών όσο και  για το περιβάλλον.

 

ΤΟΥ κ. ΑΘΑΝΑΣΙΟΥ ΧΑΣΑΛΕΥΡΗ*

 

Τα αεροέδρανα (gas bearings) είναι έδρανα ολίσθησης τα οποία δεν απαιτούν λάδι για τη λίπανση των μηχανών.  Η αρχή λειτουργίας τους είναι παρόμοια με αυτή των εδράνων ολίσθησης τα οποία χρησιμοποιούν κοινά λιπαντικά (ορυκτέλαια, αγγλ. oil bearings), είναι γνωστά ως κουζινέτα, αποτελούν κατασκευαστικό στοιχείο στις περισσότερες μηχανές και στηρίζουν περιστρεφόμενους άξονες σε κάποιο σταθερό υποσύστημα της διάταξης.

Τα κουζινέτα αποτελούν μαζί με τους ένσφαιρους τριβείς (ρουλεμάν, αγγλ. ball bearings) τις δύο πιο εφαρμοσμένες λύσεις για την έδραση περιστρεφόμενων στοιχείων σε μηχανές και μηχανολογικές κατασκευές / διατάξεις. Η αντικατάσταση του λιπαντικού ελαίου από τον ατμοσφαιρικό αέρα μπορεί να επιφέρει σημαντικά πλεονεκτήματα στο σχεδιασμό μίας μηχανής, και μερικά από αυτά είναι:

  • Η απουσία συστημάτων άντλησης, κυκλοφορίας, αποθήκευσης και αντικατάστασης ελαίου.
  • Το μειωμένο βάρος της μηχανής / διάταξης.
  • Η μεγαλύτερη αξιοπιστία και λειτουργικότητα.
  • Τα ενισχυμένα χαρακτηριστικά ευστάθειας, ιδιαίτερα σε υψηλόστροφα περιστρεφόμενα συστήματα (με ταχύτητα λειτουργίας άνω των 20.000 στροφών ανά λεπτό).
  • Οι μικρές απώλειες ισχύος.
  • Η λειτουργία σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες κ.ά.

Το σημαντικότερο πλεονέκτημα των αεροεδράνων είναι ότι εντάσσονται σε μία «oil free» τεχνολογία φιλική προς το περιβάλλον, εφόσον δεν απαιτείται χρήση –και κατά συνέπεια εναπόθεση– κάποιου ορυκτελαίου. Ωστόσο, σημαντικό μειονέκτημα αποτελεί η αδυναμία στήριξης μεγάλων φορτίων στους περιστρεφόμενους άξονες, καθώς ο ατμοσφαιρικός αέρας που λειτουργεί ως μέσο λίπανσης παρουσιάζει δυσρευστότητα (ιξώδες) δύο τάξεις μεγέθους χαμηλότερη από αυτήν ενός τυπικού ορυκτελαίου.

Ένα τυπικό αεροέδρανο τελευταίας τεχνολογίας παρουσιάζει μέση πίεση στην επιφάνειά του (ειδικό φορτίο, αγγλ. specific load) μικρότερη από 500kPa, ενώ η αντίστοιχη τιμή για τα έδρανα ολίσθησης με λάδι είναι 10MPa (20 φορές μεγαλύτερη).

Τα αεροέδρανα δεν αποτελούν αναδυόμενη τεχνολογία, καθώς η εφαρμογή τους άρχισε με τις διατάξεις ανακύκλωσης αέρα αεροσκαφών (air cycle machines [ACM]) από το 1970, με μέσο χρονικό διάστημα λειτουργίας χωρίς αστοχία τις 100.000 ώρες(!) στο αεροσκάφος DC-10.

Έκτοτε, τα αεροέδρανα αποτελούν «standard design» σε αεροπορικές εφαρμογές (ACM) των γνωστότερων αεροσκαφών, επιβατικών και μη, και η χρήση τους συνεχώς διευρύνεται. Τις τελευταίες 5 δεκαετίες τα αεροέδρανα έχουν εξελιχθεί από την 1η γενιά (Gen 1) στην 3η (Gen 3), αυξάνοντας έως και 4 φορές τη δυνατότητα παραλαβής εγκάρσιων φορτίων. Οδεύοντας προς την 4η γενιά (Gen 4), εξελιγμένα υλικά και συστήματα ελέγχου αυξάνουν επιπλέον το ειδικό φορτίο, τουλάχιστον σε εργαστηριακό επίπεδο.

 

Λειτουργία

Η αρχή λειτουργίας των αεροεδράνων βασίζεται στην αεροδυναμική και στη μηχανική των επιφανειών (top foil) και της περιβάλλουσας κατασκευής (bump foil). Ο σχεδιαστικός στόχος είναι η παθητική αναρρόφηση αέρα (κατά την περιστροφή του άξονα) στην επιφάνεια μεταξύ άξονα και άνω κελύφους (βλ. εικόνα 2), καθώς και η παθητική παραμόρφωση του κελύφους προκειμένου ο αέρας να αυξήσει την πίεσή του και να διαχωρίσει τις επιφάνειες που τον περιβάλλουν (άξονας και άνω κέλυφος).

Η έρευνα στη μηχανική ανάλυση του κελύφους (προκειμένου αυτό να αποκτά την βέλτιστη διαμόρφωση και τα κατάλληλα χαρακτηριστικά δυσκαμψίας και απόσβεσης κατά την λειτουργία), καθώς και η εξέλιξη των υλικών των τριβομένων επιφανειών (όταν η ταχύτητα του άξονα είναι μικρή και αυτές βρίσκονται σε επαφή) οδήγησαν στην προαναφερθείσα σημαντική αύξηση του φορτίου λειτουργίας από την Gen 1 στην Gen 3.

Τα υλικά που χρησιμοποιούνται κυρίως στην κατασκευή αεροεδράνων είναι διάφοροι τύποι του Inconel, με τις επικαλύψεις (coating) των επιφανειών να περιέχουν πολυαμίδια και τεφλόν για να παρέχουν μειωμένο συντελεστή τριβής κατά την εκκίνηση της μηχανής (πριν αναλάβει η αεροδυναμική λίπανση το διαχωρισμό των επιφανειών σε υψηλότερες στροφές).

Η συνεχόμενη εξέλιξη των αεροεδράνων βασίζεται στα γνωστικά πεδία της αεροδυναμικής, της επιστήμης των υλικών, της δυναμικής των κατασκευών και της τριβολογίας, και θεωρείται ότι η δυνατότητα παραλαβής μεγαλύτερων φορτίων δεν έχει εξαντληθεί ακόμη, τουλάχιστον στο «παθητικά» λειτουργικό αεροέδρανο (conventional design).

Οι εν δυνάμει εφαρμογές των αεροεδράνων αφορούν πλέον μικρούς αεροπορικούς κινητήρες jet, συστήματα υπερπλήρωσης μηχανών εσωτερικής καύσης (turbochargers), στροβιλοαντλίες (turbopumps), ευέλικτες (μικρές) διατάξεις στροβιλογεννητριών για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας κ.ά., όπου διερευνάται η αντικατάσταση των συμβατικών λύσεων έδρασης των περιστρεφόμενων μερών (ρουλεμάν, κουζινέτα).

Τα αεροέδρανα εντάσσονται στην ευρύτερη τεχνολογία «άνευ ελαίου» (oil free), η οποία πλέον δεν αφορά μόνο την έδραση περιστρεφόμενων στοιχείων, αλλά και την αερολίπανση ή την ξηρή λίπανση των αναρίθμητων τριβόμενων επιφανειών σε μία μηχανή, δημιουργώντας αντίστοιχη ποικιλία προβλημάτων που αναζητούν λύση από την επιστημονική κοινότητα.

 

Εικόνα 1: Τυπική αναπαράσταση αεροεδράνου.

 

Εικόνα 2: Σχηματική αναπαράσταση κατασκευαστικών συνιστωσών αεροεδράνου.

 

 

ΜΟΤΟ

Η αρχή λειτουργίας των αεροεδράνων βασίζεται στην αεροδυναμική και στη μηχανική των επιφανειών και της περιβάλλουσας κατασκευής

 

 

*Ο κ. Αθανάσιος Χασαλεύρης, PhD είναι επίκουρος καθηγητής Ανάλυσης και Σχεδιασμού Μηχανολογικών Κατασκευών στη Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου.

 

Ελέγξτε επίσης

Η χρήση των λέιζερ στις κατεργασίες των υλικών

Ο όρος «λέιζερ» προήλθε από το αγγλικό αρκτικόλεξο LASER που σημαίνει «Light Amplification by Stimulated …